مسجل بيانات مراقبة التيار المتردد: 9 خطوات (بالصور)

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:38

مرحباً بالجميع ، مرحبًا بكم في أول تدريب لي! في النهار ، أكون مهندس اختبار لشركة توفر معدات التدفئة الصناعية ، وفي الليل أنا هاوي تكنولوجي متعطش و DIY'er. يتضمن جزء من عملي اختبار أداء السخانات ، وفي هذه المناسبة أردت أن أكون قادرًا على مراقبة السحب الحالي لـ RMS لـ 8 أجهزة على مدى 1000 ساعة وتسجيل البيانات لرسم النتائج في وقت لاحق. لدي إمكانية الوصول إلى مسجل البيانات ولكنه كان ملتزمًا بالفعل بمشروع آخر وكنت بحاجة إلى شيء منخفض التكلفة ، لذلك قررت تجميع أداة تسجيل البيانات الأساسية هذه معًا.

يستخدم المشروع Arduino Uno لقراءة المستشعرات التناظرية عبر المحول التناظري إلى الرقمي (ADC) وتسجيل البيانات بطابع زمني على بطاقة SD. هناك الكثير من النظريات والحسابات المتضمنة في تصميم الدوائر ، لذا بدلاً من شرح كل شيء على الإطلاق ، سأريك فقط كيفية صنعه. إذا كنت مهتمًا برؤية النتيجة الكاملة ، فأخبرني بذلك في التعليقات وسأشرح المزيد.

ملاحظة:

لدي الكثير من الأسئلة حول حسابات True RMS. يستخدم هذا الجهاز مقوم نصف موجة لالتقاط ذروة الموجة ، والتي يمكن بعد ذلك ضربها في 0.707 لإعطاء RMS. من المفترض أنها ستعطي نتيجة دقيقة فقط مع الأحمال الخطية (أي أن التيار الذي يتم قياسه هو موجة جيبية نقية). الإمدادات أو الأحمال غير الخطية التي تعطي أشكالًا موجية مثلثة أو مستطيلة أو أي أشكال موجية أخرى غير جيبية لن تعطي حسابًا حقيقيًا لـ RMS. يقيس هذا الجهاز تيار التيار المتردد فقط ، فهو غير مصمم لقياس الجهد ، وبالتالي لا يحسب أو يقيس عامل القدرة. يرجى الاطلاع على التعليمات الأخرى الخاصة بي حول كيفية إنشاء مقياس عامل الطاقة الذي يمكن استخدامه للقيام بذلك. قال العديد من الأشخاص أيضًا إن اقتران التيار المتردد المستقيم بخط مركزي 2.5 فولت أفضل ، ولكن هذا يقدم بعض التعقيدات لأنه ينطوي على معدل أخذ عينات رقمي سريع بما فيه الكفاية ، ومتوسط قوي / تجانس البيانات ، وما إلى ذلك ، وعدم اليقين الذي يقدمه هذا أعلى بكثير من القياس القيمة الخام. أنا شخصياً أفضل حلول الأجهزة ورموز أبسط حيثما أمكن لذلك لست مهتمًا بهذه الطريقة. من ناحية الدقة أعتقد أن هذا أفضل بكثير من الأخير وسترى لاحقًا في نتائجي أن هناك معامل انحدار قريب من 1.0 بعد المعايرة.

الخطوة 1: المحولات الحالية

يستخدم هذا المشروع محول التيار HMCT103C 5A / 5MA. لها نسبة دوران 1: 1000 بمعنى لكل 5A من التيار المتدفق عبر الموصل ، 5mA سوف تتدفق عبر CT. يجب توصيل المقاوم عبر طرفي التصوير المقطعي المحوسب للسماح بقياس الجهد عبره. في هذه المناسبة ، استخدمت مقاومًا بقوة 220 أوم ، لذلك باستخدام قانون أوم V = IR ، سيكون خرج CT هو 1.1 فولت تيار متردد ، لكل 5 مللي أمبير من تيار CT (أو كل 5A من التيار المقاس). تم لحام CT إلى لوحة شريطية باستخدام المقاوم وبعض أسلاك الأجهزة لعمل خيوط متطايرة. لقد أنهيت العملاء المتوقعين بمقابس مقبس صوت ذكر مقاس 3.5 مم.

ها هي ورقة البيانات الخاصة بالمحول الحالي

ورقة البيانات

الخطوة الثانية: تكييف الإشارة

ستكون الإشارة الصادرة من التصوير المقطعي المحوسب ضعيفة لذا يجب تضخيمها. لهذا ، قمت بتجميع دائرة مضخم بسيطة باستخدام مضخم uA741 مزدوج السكة. في هذه الحالة ، يتم ضبط الكسب على 150 باستخدام الصيغة Rf / Rin (150k / 1k). ومع ذلك ، فإن إشارة الخرج من مكبر الصوت لا تزال متناوبة ، ويقطع الصمام الثنائي الموجود على خرج المرجع أمبير الدورة النصف السلبية للتيار المتردد ويمرر الجهد الموجب إلى مكثف 0.1 فائق التوهج لتنعيم الموجة إلى إشارة DC متموجة. فيما يلي الأجزاء التي تتكون منها الدائرة:

• V1 - هذا تعسفي في هذا الرسم البياني ، فهو يمثل ببساطة جهد الإشارة الذي يتم تغذيته في المدخلات غير المقلوبة لجهاز op-amp.
• R1 - يُعرف هذا بمقاوم التغذية المرتدة (Rf) ويتم ضبطه على 150 كيلو
• R2 - يُعرف هذا بمقاوم الإدخال (Rin) ويتم ضبطه على 1 كيلو
• 741 - هذه هي الدائرة المتكاملة uA741
• VCC - سكة إمداد موجبة + 12 فولت
• VEE - سكة إمداد سلبية -12 فولت
• D1 - هو الصمام الثنائي 1N4001 لتصحيح الموجة الهاف
• C3 - يحتفظ عامل الضغط هذا بإشارة التيار المستمر لفترة محددة

في الصورة 2 يمكنك أن ترى أنه تم تجميعه باستخدام Veroboard والأسلاك النحاسية المعلبة. تم حفر 4 فتحات لموقف ثنائي الفينيل متعدد الكلور بحيث يمكن تكديسها (نظرًا لوجود ثماني قنوات ، يجب أن تكون هناك ثماني دوائر لمكبر الصوت تمامًا.

الخطوة 3: مزود الطاقة

إذا كنت لا ترغب في صنعها من الصفر ، فيمكنك شراء اللوحة المجمعة مسبقًا من الصين مثل تلك الموضحة في الصورة أعلاه ، لكنك ستظل بحاجة إلى محول 3VA (تنزل من 240 فولت إلى 12 فولت). الصورة التي في الصورة كلفتني حوالي 2.50 جنيه إسترليني

لتشغيل المشروع ، قررت أن أقوم بإنشاء مصدر طاقة بسكك مزدوج بقدرة 12 فولت تيار مستمر. كان هذا مناسبًا لأن المكبرات التشغيلية تتطلب + 12V ، 0V ، -12V ، ويمكن لـ Arduino Uno قبول أي إمداد يصل إلى 14 VDC. فيما يلي الأجزاء التي تتكون منها الدائرة:

• V1 - يمثل الإمداد من مأخذ التيار الكهربائي 240 فولت 50 هرتز
• T1 - هذا محول 3VA صغير كنت أكذب بشأنه. من المهم أن يكون للمحول نقرة مركزية على الثانوي الذي سيتم توصيله بـ 0V ، أي الأرض
• D1 إلى D4 - هذا مقوم جسر كامل الموجة يستخدم الثنائيات 1N4007
• C1 & C2 - المكثفات الإلكتروليتية 35 فولت 2200 فائق التوهج (يجب أن تكون 35 فولت حيث أن الإمكانات بين الموجب والسالب ستصل إلى 30 فولت)
• U2 - LM7812 ، هو منظم جهد إيجابي 12 فولت
• U3 - LM7912 ، عبارة عن منظم جهد سلبي بجهد 12 فولت (احرص على ملاحظة الفروق بين الدبوس 78xx و 79xx IC!)
• C3 & C4 - 100nF مكثفات تنعيم كهربائية 25 فولت
• C5 & C6 - مكثفات قرص سيراميك 10 فائق التوهج

لقد قمت بلحام المكونات على اللوح الشريطي ، وانضممت إلى المسارات الرأسية بسلك نحاسي مطلي بالقصدير أحادي النواة. تُظهر الصورة 3 أعلاه مصدر طاقة DIY الخاص بي ، آسف لوجود الكثير من وصلات العبور في الصورة!

الخطوة 4: المحولات التناظرية إلى الرقمية

يحتوي Arduino Uno بالفعل على ADC مدمج 10 بت ، ولكن لا يوجد سوى 6 مدخلات تناظرية. لذلك اخترت استخدام اثنين من الاختراقات ADC مع ADS1115 16 بت. هذا يسمح 2 ^ 15 = 32767 بت لتمثيل مستويات الجهد من 0-4.096V (4.096V هو جهد التشغيل للكسر) ، وهذا يعني أن كل بت يمثل 0.000125V! أيضًا ، نظرًا لأنه يستخدم ناقل I2C ، فهذا يعني أنه يمكن معالجة ما يصل إلى 4 قنوات ADC ، مما يسمح بمراقبة ما يصل إلى 16 قناة إذا رغبت في ذلك.

لقد حاولت توضيح الاتصالات باستخدام Fritzing ، ولكن نظرًا للقيود ، لا توجد أجزاء مخصصة لتوضيح مولد الإشارة. السلك الأرجواني متصل بإخراج دائرة مكبر الصوت ، ويوضح السلك الأسود المجاور له أن جميع دوائر مكبر الصوت يجب أن تشترك في أرضية مشتركة. لذا فقد استخدمت لوح التجارب لتوضيح كيف صنعت نقاط التعادل. ومع ذلك ، فإن مشروعي الفعلي يحتوي على فواصل تجلس في رؤوس نسائية ، ملحومة بـ Veroboard ، وجميع نقاط الربط ملحومة على لوحة veroboard.

الخطوة 5: متحكم دقيق

كما هو مذكور أعلاه ، كانت وحدة التحكم التي اخترتها هي Arduino Uno ، فقد كان هذا اختيارًا جيدًا لأنه يحتوي على الكثير من الوظائف المضمنة على متن الطائرة والتي كانت بحاجة إلى بنائها بشكل منفصل. بالإضافة إلى أنه متوافق مع الكثير من "الدروع" المبنية خصيصًا. في هذه المناسبة ، طلبت ساعة في الوقت الفعلي لطابع زمني لجميع النتائج وكاتب بطاقة SD لتسجيل النتائج في ملف.csv أو.txt. لحسن الحظ ، يحتوي درع تسجيل البيانات في Arduino على درع يدفع الملاءمة على لوحة Arduino الأصلية دون لحام إضافي. الدرع متوافق مع RTClib ومكتبات بطاقة SD ، لذلك لا حاجة إلى أي رمز متخصص.

الخطوة 6: التجميع

لقد استخدمت PVC متوسط / منخفض الكثافة 5 مم (المعروف أحيانًا باسم لوح الرغوة) لفك معظم مكوناتي وتقطيعها إلى حجم مناسب بسكين حرفة. تم بناء جميع المكونات بطريقة معيارية للنموذج الأولي لأنها تسمح بإزالة الأجزاء الفردية إذا ساءت الأمور ، ومع ذلك فهي ليست فعالة أو مرتبة مثل PCB المحفور (مزيد من العمل) وهذا يعني أيضًا الكثير من أسلاك العبور بين المكونات.

الخطوة السابعة: تحميل الكود

قم بتحميل الكود إلى Arduino ، أو احصل على الكود من Github repo الخاص بي

github.com/smooth-jamie/datalogger.git

الخطوة 8: المعايرة

من الناحية النظرية ، سيكون التيار المقاس نتيجة لعدة أشياء مجتمعة:

الأمبيرات المقاسة = (((a * 0.45) / 150) / (1.1 / 5000)) / 1000 حيث "a" هو جهد الإشارة من مكبر الصوت

0.45 هي قيمة جذر متوسط التربيع لدائرة Vout للمضخم ، و 150 هي كسب op-amp (Rf / Rin = 150k / 1k) ، 1.1 هو خرج جهد كامل النطاق من CT عندما تكون الأمبيرات المقاسة 5A ، 5000 هي ببساطة 5A في مللي أمبير ، و 1000 هو مقدار الدورات في المحول. يمكن تبسيط هذا إلى:

الأمبيرات المقاسة = (ب * 9.216) / 5406555 حيث ب هي القيمة المبلغ عنها ADC

تم اختبار هذه الصيغة باستخدام Arduino 10 بت ADC ولوحظ فرق بين قيم المتر المتعدد والقيم المولدة من Arduino بنسبة 11 ٪ وهو انحراف غير مقبول. الطريقة المفضلة للمعايرة هي تسجيل قيمة ADC مقابل Current على مقياس متعدد في جدول بيانات ورسم متعدد الحدود من الدرجة الثالثة. من هذا يمكن استخدام الصيغة التكعيبية لإعطاء نتائج أفضل عند حساب التيار المقاس:

(فأس ^ 3) + (ب س ^ 2) + (ج س ^ 1) + د

يتم حساب المعاملات a و b و c و d في Excel من جدول بيانات بسيط ، x هي قيمة ADC الخاصة بك.

للحصول على البيانات ، استخدمت مقاومًا متغيرًا من السيراميك 1 كيلو (مقاومة متغيرة) ، ومحول 12 فولت لتخفيض جهد التيار المتردد الرئيسي من 240 فولت ، مما يمنحني مصدر تيار متغير من 13 مللي أمبير إلى 100 مللي أمبير. كلما تم جمع المزيد من نقاط البيانات ، كان ذلك أفضل ، ومع ذلك أقترح جمع 10 نقاط بيانات للحصول على اتجاه دقيق. سيحسب قالب Excel المرفق المعامِلات نيابةً عنك ، ومن ثم فإن الأمر يتعلق فقط بإدخالها في كود اردوينو

في السطر 69 من الكود سترى مكان إدخال المعاملات

تعويم chn0 = ((7.30315 * pow (10، -13)) * pow (adc0، 3) + (-3.72889 * pow (10، -8) * pow (adc0، 2) + (0.003985811 * adc0) + (0.663064521))) ؛

وهي نفس الصيغة الموجودة في الورقة 1 من ملف Excel:

ص = 7E-13x3 - 4E-08x2 + 0.004x + 0.663

حيث x = adc0 لأي قناة تقوم بمعايرتها

الخطوة 9: الإنهاء

ضعه في حاوية المشروع. لقد انتهيت من إمداد الطاقة بمفتاح تبديل لتشغيل / إيقاف تشغيل كل شيء عند التزويد ، وموصل IEC "شكل 8" لإدخال التيار الكهربائي. قم بلفها جميعًا معًا وستكون جاهزًا لاختبارها.

مزيد من العمل

تم الاستهزاء بالمشروع بأكمله بسرعة كبيرة ، لذلك هناك مساحة كبيرة للتحسين ، والدوائر المحفورة ، والمكونات الأفضل. من الناحية المثالية ، سيتم حفر كل شيء أو لحامه في FR4 بدلاً من الأحمال من وصلات العبور. كما قلت سابقًا ، هناك الكثير من الأشياء التي لم أذكرها ولكن إذا كان هناك شيء محدد تود أن تعرفه ، فأخبرني بذلك في التعليقات وسأحدّث ما لا يمكن فهمه!

تحديث 2016-12-18

لقد أضفت الآن شاشة LCD مقاس 16 × 2 باستخدام "حقيبة الظهر" I2C لمراقبة القنوات الأربع الأولى ، وسأضيف أخرى لمراقبة آخر أربع قنوات عند وصولها عبر المنشور.

الاعتمادات

أصبح هذا المشروع ممكنًا بواسطة جميع مؤلفي المكتبات المستخدمة في رسم Arduino الخاص بي بما في ذلك مكتبة DS3231 ومكتبة Adafruit ADS1015 ومكتبة Arduino SD